金属-酶协同催化动态动力学拆分反应研究进展.pdf

2016 年第 35 卷第 3 期 化 工 进 展 C H E M IC A L IN D U ST R Y A N D E N G IN E E R IN G P R O G R E S S 80 7 金属 酶协同催化动态动力学拆分反应研究进展 蒋成君 吕力琼 黄俊 浙江科技学院生物与化学工程学院 浙江 杭州 310023 摘要 金属催化和酶催化在很长时间被认为是两个不同的领域 动态动力学拆分反应是金属一 酶协同催化的成功 应用 如何有效地协同金属催化的消旋化与酶催化的动力学拆分是其中的关键问题 本文对金属 酶协同催化动 态动力学拆分醇和胺类化合物进行 了综述 重点介绍 了动态动力学拆分中常用的金属催化剂 各种金属与酶的 协同 并对其前景进行 了展望 指出提高酶在反应体系中的稳定性是未来的发展方向 关键词 生物催化 动力学 化学反应 手性 中图分类号 T Q 463 文献标志码 A 文章编号 1000 6613 20 16 03 0807 08 D o I 1O 16085 i ssn 1000 6613 20 16 03 024 R ec e n t p ro g re ss i n d y n a m i c k i n eti c reso l u ti o n b y m eta l c ata l y si s c o o p era te w i th en zy m es JIA N G Cheng un L O Li qi ong H UAN G Jun Sc hool ofB i ol ogi c al and Chem i c al E ngi neeri ng Z heji ang U ni versi ty of Sc i enc e Tec hnol ogy H angzhou 310023 Z heji ang C hi na A b stra c t E nzym e an d m etal c atal ysi s used to be c on si dered as un c o nn ec ted i u st l i k e tw o si des o f a m edal C h em oenzym ati c dyn am i c k i n eti c reso l u ti on i s an i m po rtant ap pl i c ati o n of m etal c om pl exes i n c oop erati v e c atal ysi s w i th en zy m es T h e k ey p oi nt i s how to c oo perate rac em i zati on b y m etal an d to c ond uc t ki n eti c reso l uti on by enzym es eff ec ti v el y R ac em i zati on of a su b strate w i th a m etal c om pl exes c om b i ned w i th a stereo sel ec ti ve transform ati on of the su bstrate c atal y zed by an enz ym e b y k i neti c resol uti on s d yn am i c w as rev i ew ed T h e m etal c atal y sts u sed i n dyn am i c k i n eti c resol uti o n and the c oordi n ati o n of v ari ou s m etal s an d en zym es w ere m ai n l y i n tro duc ed In the final p art of th e p erspec ti ve i m p rovi n g th e stab i l i ty of enzy m e i n th e reac ti on sy stem i s th ough t to b e th e fu tu re researc h di rec ti on K ey w ord s b i oc atal y si s ki neti c s c h em i c al reac ti on c hi ral i ty 近年来 金属催化剂在药物合成领域得到了广 泛 的应用 这些金属催化剂有时需要高温 高压等 苛刻的反应条件 且对环境造成污染 酶催化具有 反应条件温和 高选择性等优点 越来越广泛地应 用于手性药物 的合成 这两种催化过程非常高效和 经济 但是它们的协同使用 尚不多见 主要有 3 个 原 因 第一 联合这两种催化过程最近才被关注 第二 金属催化剂和酶催化剂在很长时间被认为是 两个不同的领域 有机化学家难以发现有效的酶催 化 生物化学家难 以了解金属催化体系 第三 一 般认为酶的活性会被金属抑制 然而 金属 酶协 同 的催化反应具有 巨大的潜力 动态动力学拆分反应 D K R 是金属一 酶协 同的催化反应的一个重要应 用 11 在 D K R 中 金属催化的底物消旋化与酶催化 剂 的动力学拆分有机地结合 图 1 本文对近几 年金属一 酶协 同动态动力 学拆分醇和胺类化合物进 收稿 15t期 2015 06 29 修改稿 日期 2015 09 25 基金项目 中国博士后科学基金 2014M 55 1745 及浙江省 自然科学 基金 LY 15B060008 项目 第一作者及联系人 蒋成君 198l 一 男 博士 高级工程师 E m ai l i c j312 一 163 c om 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 808 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 一 胝 xf si X O N H 酶 1 俐 R S OR 2 一 底物 图 1 金属一 酶协 同催化动态动力学拆分反应 行综述 1 动态动力学拆分 中常用 的金属催 化剂 常用的金属催化剂如图 2 所示 这些金属主要 是 B 族的元素 Pd R u R h N i C o Ir V B 的 Ph 9 一 H O P h 摊 羚 O C C O O C C O R u P h 配合物2 P h P h l C I o C C O 配合物5 P h P C I O C C O 配合物 8 配合 物11 v 和IIIA 的铝 2 金属一 酶协同催化动态动力学拆分 醇类化合物 2 1 Pd 配合物与酶的协同催化 1 996 年 W ILLIA M S 等 峙 艮 道了PdC12 M eCN 2 与荧光假单胞菌脂肪酶动态动力学拆分烯丙基酯衍 生物 图 3 19 天后获得醇的产率为 81 ee 值 为 96 在这一反应 中 底物通过钯 II 催化消 旋化 脂肪酶水解生产单一构型的醇 虽然反应时 间长达 19 天 但是这一开创性的研究证实了过渡金 属催化和酶结合进行 D K R 的可能性 2 2 R h 配合物与酶的协同催化 在随后的研究中 W D IN H等 j 艮 道了仲醇的 D K R 图 4 通过氢转移机理来实行底物的消旋化 R h2 O A c 4协同脂肪酶进行拆分 1 苯乙醇的收 率为 60 ee 值为 98 然而这种方法有几个缺点 总的收率低和必须添DI I I 菲咯啉和苯乙酮作为有效 P h 0 一H P Ru H o c C o 1 a 配合物3 配 合 物6 B n B n B n祭 B c O C C O 配合物9 H o Ph O C C O 1b P h P h P h P CI O C C O 配合物4 P h P h Ph Ph P h cl O C P P h 配合物7 P h R u P h 3P P Ph 3 配合物10 Pd C Pd A IO O H pd A m p M C F R h2 O A c 4 V O O Si Ph3 3 R aneyN i R aneyC o A r p M eO C6H 4 图2动态动力学拆分中常用的金属催化剂 o 1 o人 八 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 蒋成君 等 金属一 酶协 同催化动态动力学拆分反应研究进展 Ph PdC 12 M eC N 2 5 一 图 3 PdC 12 M eC N 2与荧光假单胞菌脂肪酶协同的 D K R 体 系 R h O A c 4 2 A 图 4 R h2 O A c 与荧光假单胞 菌脂肪酶协 同的 D K R 体系 消旋试剂 尽管这种特殊的 D K R 系统有缺点 但 是这项研究仍是重要 的 因为它证实 了醇可以通过 金属催化的氢转移实现消旋化 这项工作为后续催 化剂的设计提供 了灵感的源泉 不同的过渡金属催 化剂不 断开 发 通 过氢转移反应实现 了底物 的消 旋化 2 3 R u 配合物与酶的协同催化 紧接着 LIM A S 的开创性工作 B A CK VA LL 等 首次提 出了仲醇的 D KLR 体系 图 5 其 中南 极假丝酵母脂肪酶 B C A LB 固定在丙烯酸树脂 商品名称 N ovozym e一 435 和 Shvo 的二钌配合物 1 这两种催化剂对脂肪族和芳香族 的醇都兼容 并 且产物 的 ee 值也较高 根据 K A zL A u sK A s 规则L5J 显示出 型选择性 但是这一体系的缺 点是 Shvo 配合物要求 70 C 的温度来有效地分裂成两个单体 物种 1a 和 l b 图 2 其机制是氧化还原使底物消 旋化 6J 由于 Shvo 配合物需要热活化 Shvo 配合 物 1 只能结合耐热的脂肪酶使用 这限制 了可用于 D Y R 的酶的种类 如对热敏感的丝氨酸蛋白酶就不 能使用 Shvo 配合物的另一个缺点是它必须与活化 的芳基酯 对氯苯 乙酸酯 一起使用 当以简单的 烯基乙酸酯为酰基供体时 会干扰外消旋 导致形 成大量酮副产物 尽管有这些限制 但是配合物 1 己经成功地结合了一些酶来进行 叠氮醇 安息香 环醇 杂 芳基 乙醇 羟基烷烃磷酸盐 一 羟基酰 胺 羟基酸酯 羟基醛 羟基烷基砜 腈醇等 的D GR 此外 配合物 1 已经被用作 取代伯醇 D Y R 的消旋催化剂 通过中间醛的烯醇化发生消旋化 OH 配合物1 2 OA c l Novozym e 435 一 R l R 2 R l 图 5 Shvo 双钌配合物 和 N ovozym e 435 催化 的仲醇 D KR 由于 Shvo 的二钌配合物只有在温度大于 70 时才有活性 随后的研究致力于发现更高活性的催 化剂 可 以在温和的反应条件下有效的消旋醇 在 D KR 中可以更大范围地使用各种酶 PA RK 等 J于 艮 道 了配合物 2一 T1 一 R uC I PPh3 2在室温下可消旋 底物 并且生成微量的酮副产物 然而 配合物 2 有一些缺点 它需要 K O H 来激发催化活性 K O H 可以使酶失活 后来发现配合物 2 也可 以用 0 2和 E t N 来激活 有效的消旋需要 6O 的反应温度 配 合物 2 成功地和洋葱假单胞菌脂肪酶结合对简单的 仲醇进行 D K R 图 6 81 O H 配合物2 5 o A 图6 qs 茚基 R uC I PPh3 2和洋葱假单胞菌脂肪酶仲醇 D K R 酶和 以钌为活性中心的配合物 的耦合 拓展 了 D K R 领域 的后期研究 开发 了钌配合物作为外消旋 催化剂 9 通过氢转移反应实现底物的消旋化 K IM 等Il 0 制备出了氨基环戊二烯钌配合物 3 并证实它 在室温下能有效地催化仲醇外消旋化 和配合物 1 不 同 使用配合物 3 时 可用叔丁醇钾活化替代热 活化 与 K O H 相比 配合物 3 在大多 D K R 体系 中 显示出更高的兼容性 配合物 3 成功地与 N ovozym 435 配对 在室温 下高产率和高 ee 值地合成多种脂肪族和苄基 一 乙 酸酯 图 7 配合物 3 的一个优点是可以用乙酸异 丙烯酯代替活性酯 对氯苯乙酸酯 作为酰基供体 然而 需要长达 7 天的反应时间 这与分步消旋和 K R反应有鲜明对比 它们一般在几小时内完成 D K R 和分步反应效率上的显著差异表明配合物 3 和 C A LB 不完全兼容 导致催化剂部分失活 因为它在室温下 良好的消旋活性 所 以配合物 3 可 以协同更敏感的蛋 白酶枯草杆菌 D K R 仲醇 得 到 构型产物 K IM等 l J已在最近的研究中表明配 合物 3 可 以与表面活性剂一 洋葱假单胞菌脂肪酶协 同在室温下进行烯丙基醇 D K R 配合物 3 发现后不久 B A CK VA LL 等L12J制备 O H 配合物3 4 OAc I N o v oz y m e一 4 3 5 i 一 R l R 2 R l R 2 图 7 配合物 3 和 N ovozym 一 435 仲醇 D K R 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 8l 0 化 工 进 展 20 16 年第 35 卷 出了相关的环戊二烯钌配合物 4 它被证实为一种 高效的催化剂 即使催化剂用量低至 0 5 摩尔分 数 l JjJ也能在 10m i n 内完全消旋光学纯的 1 苯乙醇 无论在结构和活化方法上 这种消旋催化剂显示 出 许多与配合物 3 的相似之处 但是配合物 3 改善 了 其与酶的兼容性 配合物 4 和 N ovozym 435 的结合 提供了仲醇快速的 D K R 方法 如 1一 苯乙醇在 3h 内 高产率转化为 ee 值大于 99 的乙酸酯 配合物 4 为新一代 D K R 和动态不对称转换 D Y KA T 的发 展铺平 了道路 D K R 中利用配合物 4 这一方法 已被 广泛地应用到功能仲醇中 消旋得到高产率和高 ee 值的产物 包括脂肪醇 烯丙基醇 氯醇 二元醇 高烯丙基醇 杂环 l 2 氨基醇 配合物 4 对于氯乙醇 引 烯丙基醇的消旋速度 显著减慢 它要求在 D K R中不断增加反应温度 对于这些底物 有必要进一步研究更高效的消旋配 合物与敏感蛋 白酶结合进行 D K R V E RH O等L1 报道 了匹配配合物和底物的电子性质来实现更高效 的氯乙醇外消旋的方法 在研究中发现配合物 4 的 高度 电子缺失相似物配合物 5 对氯乙醇消旋反应比 配合 物 4 快 10 30 倍 近年来 合成了一些基于环戊二烯钌为核心的 酶 兼容消旋配合物相似物 特别是 K IM 等 l H A N 等 17 开发出了钌为活性中心的消旋催化剂 配合物 5 配合物 5 可以在空气中进行醇的 D K R 稳定性 和适用范围更广 配合物 5 的另一个优点是它可 以 连接到聚苯 乙烯上 形成非均相的聚合物接枝配合 物 6 配合物 6 可回收 在 1 苯乙醇 D K R 重复使用 3 次 仍可获得 95 的收率 99 的 ee 值 在随后 的研究中 配合物 6 被用在光学纯药物 一 一 卡巴拉汀 关键中间体 的合成 K IM 等 18J报道了配合物 4 的相似物配合物 7 其在空气中稳 定 在室温下可 由 A g2O激活并和 N ovozym 一 435 协 同用于一小部分脂肪族和苄醇 的 D K R 体系中 最近 LEE 等 9 报道了配合物 8 它 包含了一个酰基取代的环戊二烯基配体 这种配合 物可更广范围地应用于光学纯仲醇 的 D K R 体系 配合物 8 和洋葱假单胞菌脂肪酶可在 16 25 oC 下 D K R oc 芳基丙炔基醇 苄基醇 y一 氯醇和 TM S 炔 醇 L EIN O 等 20 21 报道了五苄基环戊二烯基钌配合 物 9 它显示出与配合物 4 相同的活性和功能范围 配合物 9 的优点是苄基取代配体可以由简单和廉价 的原料环戊二烯和苄醇大规模简单的合成 与配合 物 1 和 3 8 的合成相比较 配合物 9 需要更昂贵的 前体 四苯基环戊二烯酮 N O L A N 等 221开发了另一 种有效的外消旋配合物 阳离子钌茚基配合物 10 可 由 K 2C O 3有效激活 它和 N ovozym e 435 成功结 合用于多种仲醇的 D K R 此配合物在室温下获得高 产率和 ee 值 A G RA W A L 等 231表明钌配合物可由 易得的配合物 R u p一 异丙基 C 12 2和配体 1 4一 双 二 苯基膦 丁烷原位反应形成 配合物可结合从施 氏 假单胞菌形成的 TL 脂肪酶在室温下对 c 一 羟基酮进 行有效 D K R 这些底物的 D K R 提供了各种功能分 子直接获取路径 如光学纯的氨基醇和二醇衍生物 基于钌的消旋配合物在仲醇的 D K R中也可以 应用 例如 H A A K等 开发 了在含 有 甲苯和 50m m H E PES 缓冲液的两相体系中利用阳离子不变 的配合物 11 和双突变环氧化物水解酶 H hec 从 相应的氯乙醇一步合成光学纯化合物的方法 与配 合物 3 9 相 比 配合物 11 可由叔丁醇钾活化 在 室温下有效地 D K R 配合物 11 对苄醇比较表现出 明显高的消旋活性和选择性 2 4 Ir 与酶的协同催化 M A R R 等 25J报道了铱催化的消旋化 这种 D K R 利用一系列 钢琴凳 型铱 N H C 配合物与 CA LB 结 合 见图 8 OH 配合物11 5 C 1 l Hhec C15 3SW 249F R 图8铱配合物 1l 和环氧化物水解酶合成光学纯的 环氧化物 2 5 V 与酶的协同催化 在过去的十年 大量钒催化醇的 D K R 得到了 发 展 A K A I 等 26 27 发现 含 氧钒 V 配合 物 V O O Si Ph 在温和的反应条件下能通过羟基 的 1 3一 转移消旋二烯丙基醇 图 9 因此 这种配合 物被发现能与几种酯兼容 如洋葱假单胞菌脂肪酶 N ovozym e一 435 荧光假单胞菌的脂肪酶 它适用于 线性和环状烯丙基醇 D K R 有 良好的产率和 ee 值 EG I等 8 也制备出了非均相的含氧钒 V 配合物 相似物 它被固定在聚合物和介孔硅胶上 固载的 含氧钒 V 配合物证实可 以循环 6 次以上而不失 活性 而且它能够消旋芳香和丙炔醇 这种配合物 增加缺少烯丙醇的底物消旋能力 它可以通过碳正 离子中间体脱水机理进行 w U Y T S 等 报道 了钒 配合物催化 的其他仲 醇 D K R 在这个 系统 中 V O SO 4结合 N ovozym e 435 实现一些苄基醇在 80 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 蒋成君等 金属 酶协同催化动态动力学拆分反应研究进展 O H 一 O O V O Si Ph3 3 1O N ovozym e一 435 C A L B 图 9 V O O Si Ph3 3 和 N ovozym e一 435 协 同 下 的 D K R 2 6其他类型 上述金属价格 昂贵 近年来发展 了一些低成本 的 金 属 催 化 体 系 B ER K E SSEL等 UJ设 计 了 A 1M e bi nol C A L B 系统 用于室温下脂肪族和苄醇 的 D K R 酸和沸石也可作为消旋催化剂与酶一起进 行仲醇 D K R 但是酸和沸石只能通过脱水机理来消 旋醇 这 限制 了要形成稳定碳正离子底物 此外 由于副产物的大量形成 这些酸和沸石催化时的收 率 比预期产量低 与二级醇形成鲜 明对 比的是叔醇实现 D K R 虽 然有一些酶可 以拆分叔醇 但是它已被证实很难配 合 D K R过程来原位消旋 因为叔醇季碳缺少氢取 代 所 以不可能通过氢转移机理消旋底物 因此 叔醇消旋的催化剂仅限于那些通过脱水机制形成碳 正离子的催化剂 如路易斯酸或钒催化剂 碳正离 子中间体的形成 比相应的仲醇更容易 这将有利于 叔醇的外消旋化 叔醇的 D K R被认为是不对称合 成领域 内一个重要的里程碑 在天然产物和药物合 成 中有很大的应用 3 金属一 酶协同催化动态动力学拆分 胺类化合物 3 1 P d 与酶 的协同催化 光学纯的胺类可 以通过酶的动力学拆分获得 然而 由于缺乏有效的胺消旋催化剂 胺类的 D K R 大大减少 胺类消旋困难的主要原因是它们可以作 为很强的配位体 这可能会抑制催化剂甚至导致催 化剂完全失活 因此 需要高温来打破这种平衡并 促进消旋反应 但是升高温度会 限制可使用酶的种 类 另外一个与胺消旋相关的挑战是生成 的亚胺中 间体是高度活性的 可发生一些副反应 从而减少 了产品产量 增加了分离的难度 例如 亚胺在水 存在下易于水解生成相应的酮 亚胺中间体也可受 到另一胺分子的亲核攻击生成缩胺醛 可进一步降 低为仲胺副产物 人们 已经发现这些副反应通常是 由于 高温 引起 因此 高效 温和 的消旋胺尤为 重要 1996 年 R EET Z 等L3l J第一次报道了胺的 D K R Pd C催化外消旋化完成 1 苯 乙胺的拆分 不幸的 是 D KR反应在三乙胺存在下进行 温度 50 55 使用 乙酸 乙酯作为酰基供体 发现过程缓慢 8 天只得到了 60 的转化率 受到 R E ET Z 等 3l j开创性发现的鼓舞 几个研 究小组继续研究基于钯的非均相催化剂 应用于胺 的 D K R JA CO B S 等 32 33 研究了作为载体的碱土是 怎样影响固定化钯粒子的外消旋化活动 在这些载 体 中 钯 硫酸钡具有最高 的活性和选择性 D K R 在 70 和 0 01M Pa 氢气压力下进行 反应可 以用 乙 酸 乙酯或者 乙酸异丙酯作为酰基供体 在这些反应 条件下 一系列的苄基伯胺转化成相应的 一 酰胺 在 24 72h 内有高产率 高 ee 值 A N D R A D E 等 也证实 了这些催化剂对含硒的苄基伯胺的 D K R 也 适用 然而 这个 D KR体系明显的缺点是它只限 于苄基胺 脂肪族伯胺反应太过缓慢 唯一可适用 的脂肪族胺是 1 甲基一 3 苯丙胺 脂肪族的胺 明显比 苄型的底物消旋慢 相应的 D K R 要求不断升高温 度并延长反应时间 来获得满意的结果 在 随后 的研 究 中 PA RV U L E SC U等 j 证实 Pd B aSO 4和 Pd C aC O 3对伯胺的消旋活性和选择性 可 以用微波辐射替代传统的加热方法 造成这种现 象 的原因是金属活性 中心能够有效地吸收微波 从 而产生所谓 的 热点 可 以达到超过周围反应介质 的温度 利用微波辐射导致更快的 D K R K IM等L3 j7J将 Pd 固定在 A 10 O H 作为消旋 催化剂与 N ovozym e 435 协同催化 图 10 这个催 化体系在伯胺的 D K R中有效 然而 这种催化系 统对于脂肪族底物 D K R要求更严苛的反应条件 N H 2 Pd A IO O H 2 5 n N x f N ovozym e 435 Ar R A r R Pd A 10 O H 2 5 N o v o zy m e一 4 3 5 O H N o Me 图 10 Pd A 10 O H 和 N ovozym e 435 对脂肪族和苄基伯胺 的 D K R 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 8 12 化 工 进 展 20 16 年第 35 卷 12 Pd 100 1 大气压 H 2 有趣的是 无论 是纳米钯催化剂还是酶 在 1 甲基 3 苯丙胺的D K R 中可以循环 8 次 没有观察到转化率或 ee 值的损失 在随后的研究中 C H O I 等 38 扩展 了这种方法的适 用 范 围 使 一 氨 基 酰 胺 也包 括 在 内 此 外 B A C K VA LL 等 将 Pd A 10 O H H C A LA M C F 结 合用于 氨基酯的 D K R 徐 刚等 uJ制备 了一种基于钯固定在双氢氧化 物阴离子支持层上的非均相消旋催化剂 并证实了 它可以与 N ovozym e一 435 协 同在 55 下用于苄基伯 胺的 D K R 不幸的是 它有几个缺点 如催化剂用 量多 底物浓度稀和需要用 4 氯苯基戊酸酯作为酰 基供体 最近 SH A K E R I 等 J也开发了一种基于钯 的非均相消旋催化剂 1 5 3 0nm 的钯纳米粒子固 定 在 M C F A rrIP M C F 上 这 种 钯 纳 米 催 化 剂 pd A m P M CF 在 1一 苯 乙胺的消旋中显示出高活 性 而 且 与 酶 有 良 好 的 兼 容 性 这 种 pd A m P M CF 催化剂与 N ovozym e一 435 协 同对 一 系列伯胺 D K R 生成相应 R 一 酰胺有高的产率和 良好的 ee 值 图 11 更进一步 通过增加催化剂 中钯的量 摩尔分数从 1 25 到 5 0 在 50 下 可能促进有效的消旋 这允许催化剂在 1 苯 乙胺的 D K R 中与敏感 的脂肪酶 A m ano L i pase PS C 1 洋葱 假单胞菌脂肪酶固定在陶 ri d 珠子上 结合 值得 注意的是 这是 A m ano L i pase P S C 1 第一次成功地 用在胺的 D K R 上 在这个反应 中 钯纳米粒子的 使 用量 减少 反 应 时间缩 短 底物 浓度 提 高 Pdo A m P M C F 还表现 出高稳定性和低流失率 在 1一 苯乙胺 的 D K R 中可循环 4 次 催化性能没有明显 的降低 和其他钯基催化剂类似 这个 D K R系统 对于脂肪族胺类并不适用 N H 2 P d A m P M C F 1 25 2 5 H N o M e l N ovozym e一 435或PS C 1 A r人 R r R 图 1 1 pd A m P M C F和 N ovozym e 435 A m ano L i pase 李灿等 42 也研究伯胺 的 D K R 系统 他们用一 种稍微不同的 Pdo A m P M C F 催化剂 这种催化剂 浸渍在碳酸钾 中 钯负载量比 B A C K VA LL 等 所 用的低 得到了几种胺有效 D K R 但是 这很难与 SH A K E RI 等 的体系相 比较 因为他们增加 了酶 的用量 降低 了底物浓度 B C K V A LL 等 j 用来固定 Pd 纳米颗粒的材料 M C F 也被用来固定 C A L A BA C K VA LL 探索了同 时固定钯纳米粒子和酶 的可能性 首先制备载有中 等负载钯的 pd A m P M CF 催化剂 为酶留下大量 的 自由氨基 用戊二醛连接 C A LB 通过共固定化 设计 可得到类似于金属酶双功能催化剂 可用于 外消旋作用和 K R 在 1 大气压氢气 70 C 下 使 用甲氧基乙酸乙酯作为酰基供体 进行 1一 苯乙胺的 D K R 来评价这种双功能催化剂 在这些条件下反应 16h 以 99 的产率得到 99 的 ee 值的 酰胺 有 趣 的 是 发 现 双 功 能 催 化 剂 的 性 能 要 比 Pd 0 A mp M C F 和 C A L B M C F 两个催化剂单独 使用时好 显然两个催化剂的高接近性提高了 D K R 的反应速率 这种双功能催化剂可以循环利用 但 是从第三个循环开始 活性会慢慢下降 因为亲水 硅胶表面会引起部分酶变性 3 2 R u 与酶的协同催化 PA M IE S 等L4 J证实 Shvo 二聚体 1 可以在 110 下对伯胺进行有效的消旋 但是消旋需要高温 而 酶拆分需要在较低的温度下进行 因此 消旋和拆 分必须分步进行 然而 这个问题后来改用甲氧基 取代 的 shvo 类似物配合物 l 2 来解决 在 90 下能 有效地消旋 配合物 l 2 和 N ovozym e一 435 一起使用 一 些脂肪族和苄基的伯胺一锅法 D K R 可 以达到高 收率和 ee 值 图 12 R 配合物12 4 N o vo zy m e一 4 35 N H A c RS R2 图 12 配合物 12 和 N ovozym e 435 伯胺 D K R 这使 1一 苯乙胺 的 D K R 能大规模地进行 只需 加入少量催化剂 1 25 摩尔分数 就能获得高 收率和 98 的 ee 值的手性 1 苯乙胺 当配合物 12 为 D K R 的催化剂时 乙酸异丙酯 就可作为酰基供体 这种酰基供体因为其较低的价 格和高可用性被视为理想选择 但是断开酰胺键需 要强酸和高温 这可能对含敏感功能基团的底物不 利 为了解决这个问题 BA CKVA LL 等 4 5I改进了 脂肪族和苄基伯胺的 D K R 过程 采用配合物 12 和 CALB 协同 碳酸二苄酯作为酰基供体 此时的产 物在温和的反应条件下 通过 Pd 催化氢解 接上 的苄氧羰基可 以很容易地去除 SH A KE RI 等 bj也 证实了配合物 l 2 可与相关的固定在硅质单细胞泡 沫 M C F 上的南极假丝酵母脂肪酶 A C A L A 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 蒋成 君等 金属 酶协同催化动态动力学拆分反应研究进展 813 合用来进行 氨基酯的 D K R 3 3 R aney 镍 R aney 钴与酶的协同催化 JA C O B S 等 47J报道 了 R aney 镍和 R aney 钻催 化剂也可与 N ovozym e一 435 结合进行伯胺 的 D K R 这些 D K R 反应进行缓慢 甚至在 70 80 C 下要反 应 2 5 天 转化率和 ee 值普遍较低 跟踪整个反 应 中起始原料 的 ee 值 发现动力学拆分反应的速率 限制步骤是动力学拆分反应 而在通常情况下伯胺 的动力拆分在高温下应该是比较快的 4结论与展望 从动态动力学拆分的概念产生到现在 该法 已 经得到了广泛关注 并有少量应用于工业生产中 这一进步的关键是几种消旋催化剂的成功设计 特 别是基于钌的消旋催化剂 它可 以在温和的反应条 件下消旋醇 因此 可 以使 用越来越多的与之兼容 的酶 动态动力学拆分 的底物类型最终是由酶来确定 的 因此酶的选择非常重要 到 目前为止 因为脂 肪酶具有高活性和选择性 已成为 D K R首选 的 酶 此外 脂肪酶有许多实用的优点 包括价廉易 得 高热稳定性和对有机反应介质 的高耐受性 然 而正如前面提到的 天然 的脂肪酶在仲醇的拆分中 更易偏向选择 R 型 不能直接得到 型的产物 这 限制 了仲醇 D K R的应用 筛选 型选择性的酶就 显得十分重要 可 以直接通过 D K R获得 型产 物 丝氨酸蛋白酶对醇的动力学拆分中表现 出 选 择性 但是可承受的温度 比较低 醇和胺的动态动力学拆分反应研究进程 中 改 进酶的研究将会起到重要的作用 根据现有 的分子 生物技术 生物化学家己经有 了提高和扩展天然酶 组合的方法 尤其是通过基因库的筛选和选择获得 新 的改进酶突变体 提高酶热稳定性 参考文献 V E R H O O B A C K V A L L J E C h em o en zy m ati c dy n am i c k i n eti c re so l u ti o n a p o w erfu l too l fo r th e prep arati o n o f en anti om e ri c al l y pure al c ohol s and am ines J Journal of the A m eri c an C hem i c al S o ei ety 2 0 1 5 1 37 12 3 9 9 6 4 00 9 A L L E N J V W IL L IA M S J M D yn a m i c k i n eti c re so l u ti o n w i th enzym e and pal l adi um c om bi nati ons J Tetrahedron L etters 1996 37 1 85 9 一 l 8 6 2 D IN H P M H O W A R T H J A H U D N O T T A R et a1 C atal y ti c rac em i satio n o f a l c o h o l s a pp l i c ati o n s to e nz ym a ti c re so l u ti o n reac ti ons J Tetrahedron Letters 1996 37 7623 7626 L A R SSO N A L E PE R SSO N B A B A C K VA L L J E E nzym ati c re so l u ti o n of al c oh o l s c o up l e d w i th ru the n iu m c ata l y zed ra c em i zati on o f the substrate alc ohol J A ngew andte C hem i c Intern ati onal E d i ti o n 19 9 7 36 12 11 12 12 51 K AZL A USK ASR J WEISSFL O C H ANE RA PPAPO R T A T et a1 A ru l e to p red i c t w h i c h en an ti o m er o f a sec o n da ry al c o h ol reac ts fa ster i n rea c ti on s c atal y ze d b y c h o l estero l ester se l i p a se from pseudom onas c epac i a and l ipase fr om C andi da rugose J Jo al of O rg an i c C h em i stry 19 9 1 5 6 2 6 56 2 6 6 5 f61 C O NLE Y B L PE N NIN G TON B O G GIO M K B O Z E et a1 D i sc ov ery ap p l i c a ti on s an d c atal y ti c m ec h an i sm s o f Sh v o s c atal yst J Chem ic al R evi ew s 2010 110 2294 23 12 7 K O H J H JE O N G H M PA R K J E ffic i ent c ata l yt i c rac em i zati on of sec ondary al c ohol s J Tetrahedron Lett ers 1998 39 5545 5548 8 K O H J H JU N G H M M M J et a1 Enzym ati c resoluti on of sec on d ary al c oh o l s c ou p l ed w i th ru th en i u m c atal y z ed rac em i z ati o n w i th out hydrogen m edi ator J Tetrahedron L etters 1999 40 6 2 8 l 62 8 4 9 A K A I S TA N IM O TO K K ITA Y L ipase c atal yzed dom ino dynam i c k i n eti c re so l u ti o n o f rac em i c 3 vi n y l c y c l o h ex 一 2 一 en 1 o l s Intra m o l ec u l ar di el s a l d er reac ti on on e po t syn th esi s o f o pti c al l y ac ti ve pol ysubstituted dec al i n J A ngew andte C hem i c Intern ati onal E di ti on 2 0 0 4 4 3 140 7 14 10 10 C H O I J H K IM Y H N A M S H et a1 A m i noc yc l openta di enyl ruthenium c hl ori de c atalyti c rac emi zati on and dynami c ki neti c resol uti on of al c ohol s at ambi ent tem perature J A ngew andte C hem i c In tern ati o n al E d i ti o n 2 0 02 4 1 23 7 3 2 37 6 1 K IM H C H O I Y K LE E J et a1 Ioni c surfac tan t c oated burkhol deri a c ep ac i a l i p ase as a h i gh l y ac ti v e an d en an ti o sel e c ti v e c ata ly st fo r th e dynam i c kineti c resol uti on of sec ondary al c ohol s J A ngew andte C h em i e In tem ati o n al E di ti o n 2 0 1 l 50 10 94 4 10 94 8 12 W A R N ER M B A C K V A L L J E M ec han i sti c aspec ts on c yc l opentadi enyl rntheniu m c ompl exes i n c atal yti c rac emi zati on of al c ohol s J A c c ounts ofC hem i c al R esearc h 2013 46 2545 2555 13 C SJER N Y IK G B O G A R K B A C K VA L L J E N ew effic i ent ru th en i um c atal y sts fo r ra c em i z ati o n o f al c oh o l s at ro o m tem perature J Tetrahedron L etters 2004 45 6799 6802 14 M A R T IN M AT U T E B E D IN M B O G A R K et a1 H i ghl y c om p atib l e m etal an d en zy m e c ata l y sts fo r effi c i en t d yn am i c k i n eti c resol uti on of al c ohol s at am bi ent tem perature J A ngew an dte C hem i e Intern ati on al E d i ti on 20 0 4 4 3 6 5 3 5 65 3 9 15 V ER H O O Jo IN ST O N E V K A R L SSO N E et a1 Tuni ng ofth e e l ec tro ni c p ro p erti es o f a c y c l o p en tad i en y l ru th en i u m c atal y st to m atc h rac em i z ati 0 n o f e l ec tr on ri c h an d E l ec tro n d e fi c i en t al c ohol s J C hem i stry A E uropean Journal 20 1 1 17 1 12 16 1 1222 16 K IM N K O S B K W O N M S et a1 A i r stabl e rac em i zati on c ata l yst fo r d y nam ic k i n eti c re so lu tio n o f sec o n d ary al c o h o l s at ro om tem perature J O rgani c L etters 2005 7 4523 4526 17 H A N K K l M C PA R K J et a1 C hem oenzym ati c synthesi s of ri vasti gm i ne vi a dyn am i c ki neti c resol uti on as a k ey step J Jo al o f O rg an i c C h em i stry 2 0 10 7 5 3 105 3 10 8 18 K O S B BA B U R A J B K l M M J et a1 A i r stabl e rac em i zati on c atal ysts for the dynami c ki netic resol uti on of sec ondary al c ohol s J Jou rn al o f O rga n i c C he m i stry 2 0 0 7 72 6 86 0 6 8 64 19 L EE J H K IM N K IMM J et a1 Substi tu ent eff ec t on c atal yt i c ac ti vi ti es of 5 A r4C 4C O C O A r R u C O 2C 1 i n rac em i zati on an d D K R of sec ondary al c ohol s J C hem C atC hem 201 1 3 354 359 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 814 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 20 PA IV O M M AV R Y N SK Y D LEIN O R et a1 D ynam i c ki neti c re so l u ti o n o f a w i d e ran ge o f sec on d ary al c oh o l s c o op erati on o f di c arbonyl c hl ori do pentabenzyl c yc l opentadi eny1 rutheni um an